淺談陣列天線輻射特性與維護(hù)要點(diǎn)

□ 李 健 譚 源 戚桂東 曾鵬晟 楊柳勝

一、引言

保障廣播電視信號的傳輸，是廣播電視系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。發(fā)射天線是信號傳輸?shù)闹匾浇?，其工作狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到廣播電視的覆蓋效果，進(jìn)而影響到節(jié)目的實(shí)際播出質(zhì)量。然而，在我們廣播電視臺(tái)站的實(shí)際維護(hù)工作中，由于種種原因，機(jī)房中的設(shè)備維護(hù)占了絕大部分，發(fā)射天線的維護(hù)工作涉及較少，維護(hù)人員對發(fā)射天線相關(guān)原理更是缺乏重視。天線發(fā)生故障時(shí)，往往不能得到正確有效的處理。本文通過天線方向圖分析與仿真，詳細(xì)論述了廣播電視發(fā)射陣列天線的輻射特性，并提出了對應(yīng)的維護(hù)要點(diǎn)，希望對廣大從事廣播電視無線發(fā)射臺(tái)站維護(hù)工作的人員有所啟發(fā)。

二、陣列天線原理

廣播電視發(fā)射天線分為四個(gè)扇區(qū)來對周邊地區(qū)進(jìn)行信號的覆蓋，高山臺(tái)站的覆蓋范圍較大，通常采用多根天線組成直線型天線陣列對單個(gè)扇區(qū)進(jìn)行信號覆蓋。陣列天線的工作原理可以看成是各天線單元的電磁波（電磁場）的疊加。對于幾根天線的電磁波來講，當(dāng)它們傳到同一區(qū)域時(shí)，按照疊加原理，電磁場將產(chǎn)生矢量疊加。疊加結(jié)果不僅與各天線單元電磁波的振幅大小有關(guān)，還與它們在相遇區(qū)間相互之間的相位差有關(guān)。因此，高山臺(tái)站中單個(gè)扇區(qū)的四根天線并不是單獨(dú)工作，而是作為一個(gè)整體，組成一個(gè)天線陣列來進(jìn)行信號覆蓋。

陣列天線的主要作用是加強(qiáng)和改善輻射場的方向性、加強(qiáng)輻射場的強(qiáng)度。由于陣列天線的輻射性能與各個(gè)天線單元的幅度和相位有關(guān)，為了讓陣列天線方向性以及強(qiáng)度達(dá)到廣播電視發(fā)射臺(tái)的覆蓋性能，可以認(rèn)為陣列天線各個(gè)單元間具有特定的幅度比與特定的相位差。

三、陣列天線構(gòu)造

因?yàn)榘l(fā)射臺(tái)站陣列天線每個(gè)扇區(qū)的輻射性能都是相同的，所以本文僅對其中一個(gè)扇區(qū)來進(jìn)行分析。根據(jù)圖1分析，天線故障通常是由于饋線、天線功分器和天線單元的損壞造成的。

圖1 四單元陣列天線連接示意圖

根據(jù)陣列天線輻射特性可知決定臺(tái)站單個(gè)扇區(qū)四單元陣列天線的輻射方向性的兩個(gè)因素為圖1中天線功分器2以及其到四個(gè)天線單元的同軸饋線。天線功分器2的四個(gè)輸出口的功率比決定了四個(gè)天線單元的幅度比，而四根連接到天線單元的同軸饋線長度差決定了天線單元的相位差。

四、陣列天線方向圖仿真與分析

在陣列天線系統(tǒng)方向圖中，主瓣寬度和副瓣電平的關(guān)系為：主瓣寬度窄，則副瓣電平高；主瓣寬度寬，則副瓣電平低。對天線設(shè)計(jì)而言，提高天線增益需要降低副瓣電平；但降低副瓣電平會(huì)增大主瓣寬度，反而導(dǎo)致天線增益降低。因此，陣列天線的主瓣寬度和副瓣電平之間需要進(jìn)行合適的取舍。

為了平衡陣列天線工程設(shè)計(jì)中主瓣寬度和副瓣電平之間的關(guān)系，人們提出了道爾夫-切比雪夫（Dolph-Chebyshev）多項(xiàng)式陣列天線。切比雪夫陣列天線是將傅立葉多項(xiàng)式與相當(dāng)冪次的道爾夫-切比雪夫多項(xiàng)式相匹配，以產(chǎn)生所有副瓣等于指定電平（SLL）的最佳幅度分布。主要有以下三個(gè)特點(diǎn)：1.所有副瓣電平相等；2.指定副瓣電平時(shí)，主瓣寬度能夠達(dá)到最窄；3.指定主瓣寬度時(shí)，副瓣電平達(dá)到最低。因此切比雪夫陣列天線有最優(yōu)的副瓣電平和波束寬度設(shè)計(jì)，給天線設(shè)計(jì)帶來極大方便，目前陣列天線一般都采用道爾夫切比雪夫多項(xiàng)式設(shè)計(jì)。

PCAAD是一款天線輔助設(shè)計(jì)分析軟件，下面使用PCAAD5.0對四單元直線型陣列天線進(jìn)行仿真分析。對陣列天線的四個(gè)天線單元，分別設(shè)定不同的幅度比和相位差，仿真得到天線方向圖。再根據(jù)得出的方向圖，對天線輻射方向性進(jìn)行簡要分析。

1.幅度比為0.5761:1:1:0.5761，相位差為0天線方向圖

在PCADD軟件中，選擇幅度分布類型為“Chebyshev”，設(shè)定副瓣電平比主瓣電平低20dB，天線單元數(shù)量選擇4單元，通過軟件計(jì)算得出切比雪夫理想四單元幅度比為0.5761:1:1:0.5761。在軟件中設(shè)四單元天線的幅度比為0.5761:1:1:0.5761，各天線單元相位一致，相位差為0，得到如圖2所示的垂直面方向圖。

圖2 幅度比為0.5761:1:1:0.5761，相位差為0的天線垂直方向圖

2.幅度比為1:1:1:1，相位差為0天線方向圖

在PCAAD軟件設(shè)定四單元天線的幅度比為1:1:1:1，各天線單元間相位一致，相位差為0，經(jīng)過仿真得到如圖3所示的垂直面方向圖。

圖3 幅度比為1:1:1:1，相位差為0的垂直方向圖

對比圖2與圖3的方向圖，圖2的垂直面主瓣的3dB波瓣寬度要比圖3的要大（覆蓋的范圍相對較大），且圖3中的副瓣明顯較強(qiáng)，導(dǎo)致其主瓣的增益變低（覆蓋的距離相應(yīng)較近）。因此，圖3的設(shè)計(jì)并非最優(yōu)解，陣列天線的天線功分器的功分比不應(yīng)設(shè)為1:1:1:1。我們維護(hù)人員在連接天線功分器2時(shí)，必須根據(jù)功分器接口與四個(gè)天線單元對應(yīng)的次序連接。

3.幅度比為1:0.5761:1:0.5761，相位差為0天線方向圖

在實(shí)際天線維護(hù)工作中，若維護(hù)人員不小心將天線單元的連接順序弄錯(cuò)，例如將天線單元1和天線單元2的饋線對換。原理想的天線單元幅度比為0.5761:1:1:0.5761，饋線連接錯(cuò)誤時(shí)，幅度比變?yōu)?:0.5761:1:0.5761。經(jīng)過仿真得到的垂直面方向圖如圖4所示，從圖中可知，輻射方向性比圖3的還差?？梢?，天線功分器2和天線單元饋線連接順序錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致天線的輻射效率大幅度降低。

圖4 天線單元連接錯(cuò)誤時(shí)天線垂直方向圖

4.幅度比為0.5761:1:1:0.5761，相位差為50°天線方向圖

在PCAAD軟件設(shè)定四個(gè)天線單元幅度比為理想的0.5761:1:1:0.5761，相位差為50°。即四個(gè)天線單元的相位依次為0°:50°:100°:150°，得到的垂直面方向圖如圖5所示。從圖5中可知，垂直面方向圖的主瓣上翹了，導(dǎo)致原本朝地面發(fā)射的電波變成朝空中發(fā)射，從而影響天線覆蓋效果。與之相反，天線單元相位的遞減將導(dǎo)致主瓣下沉，從而增大陣列天線的下傾角，導(dǎo)致天線覆蓋范圍縮小。在陣列天線結(jié)構(gòu)中，相位差由天線功分器2到各天線單元的饋線長度決定。饋線過長，則相位減?。火伨€過短，則相位增大。

圖5 相位對垂直方向圖的影響

五、結(jié)論

綜上所述，結(jié)合直線型陣列天線的構(gòu)造原理和PCAAD軟件仿真分析，得知天線單元幅度與相位對天線方向圖、天線增益、天線輻射范圍等有著重要影響。結(jié)合廣播電視天線實(shí)際維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出發(fā)射天線維護(hù)的兩大要點(diǎn)：一是天線單元連接其前端的天線功分器時(shí)，一定要按照特定的順序進(jìn)行連接，否則會(huì)破壞天線單元之間的振幅比；二是每個(gè)天線單元連接到其前端的天線功分器的射頻電纜長度是固定的，不能隨意改變，否則會(huì)破壞天線單元之間的相位，導(dǎo)致方向圖變壞，輻射效果變差。